Kazimirenko_TKM

Діаграма з перитектикою (рис. 3)

Перитектичне перетворення спостерігається у багатьох промислових сплавах, наприклад, у сплавах Fe-C (до 0,51 %С), Cu-Zn, Cu-Sn. На відмінувідевтектичногоперетворенняможливийііншийтипнонваріантногоперетворення(трифазовоїрівноваги), коли рідина взаємодіє з кристалами, якіранішевипали, іутворює новий вид кристалів. Реакція подібного типу називається перитектичною. На діаграмі показано три одно-

фазнізони: рідина– L іобмеженітвердірозчиниα іβ. АСВ– лініяліквідус, APDB – лінія солідус.

Діаграми стану сплавів, які утворюють хімічні сполуки

Хімічна сполука (стійка і нестійка) спостерігається в деяких про- мисловихсплавахFe-Al, Ni-Al, Fe-C. Хімічнасполукахарактеризується певнимспіввідношеннямкомпонентів, ацезображаєтьсянадіаграмівертикальною лінією AnBm, яка проходить на осі абсцис через точку, яка відповідаєданомуспіввідношеннюкомпонентівухімічнійсполуці. Хімічна сполука стійка, якщо її можна нагрівати без розпаду до плавлення, і нестійка, якщо нагрівання призводить до розпаду. Залежно від цього можуть бути два типи діаграм.

Діаграма з стійкою хімічною сполукою (рис. 4)

Уданомувипадку компонентиАіВутворюютьстійкухімічнусполуку AnBm. Ця сполука і чисті компоненти не утворюють у твердому станірозчинів, томутвердимифазамиуцієїдіаграмієА, AnBm іВ. Зчотирьох можливих у цій системі фаз

можутьспівіснуватитри: L, A, AnBm або L, B, AnBm. Ця хімічна сполука стійка, тому вона може бути нагріта досвоєїтемпературиплавлення(точкаС). Хімічнасполукаплавитьсяпри постійнійтемпературі. Діаграмамає дві евтектичні точки: Е1 та Е2.

ЕвтектикаЕ1 являєсобоюсуміш кристалів компонента А та хімічної сполуки, а евтектика Е2 – кристалів

11

Віхімічноїсполуки. Відповідніреакціїутворенняевтектичнихсумішей мають такий вигляд:

LE1 → А + AnBm, LE2 → B + AnBm.

НалініяхЕ1СіСЕ2 виділяютьсяпервиннікристалихімічноїсполуки. Таким чином, заевтектичні сплави відносно Е1 та доевтектичні сплави відносно евтектики Е2 у твердому стані складаються з первинних кристалів AnBm та евтектики Е1 або Е2. Кристалізація сплавів за цією діаграмоювідбуваєтьсяаналогічнокристалізаціїсплавів, якіутворюютьмеханічнусумішкристалівчистихкомпонентів. Різницятількиутому, що, крім виділення чистих компонентів А та В, утворюється хімічна сполука. Якщо компоненти А і В утворюють між собою дві або більше хімічнихсполук, такадіаграмаявляєсобоюдіаграму, щоскладаєтьсязтрьох, з чотирьох тощо простих діаграм механічних сумішей.

Діаграма з нестійкою хімічною сполукою (рис. 5)

Навідмінувіддіаграмизістійкоюхімічноюсполукоювцьомувипадкудвакомпонентиутворюютьнестійкухімічнусполуку, якапринагрі-

які випали раніше, але утворює не твердий розчин, як у випадку перитектичної реакції, а хімічну сполуку.

Процес кристалізації сплаву 1 у рівноважних умовах здійснюється таким чином: у точці 1 починається кристалізація, випадають кристали Віконцентраціярідинизмінюєтьсязакривою1-D. Уточці2 припостійнійтемпературіутворюєтьсянестійкахімічнасполуказаформулою, що наведенавище. Призакінченніреакціїзалишаєтьсярідина, якакристалізується з утворенням AnBm до тих пір, поки концентрація не досягне

12

точки Е. Тоді рідина, що залишилася, кристалізується в евтектику, яка складається з кристалів А та хімічної сполуки. Таким чином, на кривій маємодвіплощадки: верхню, якавідповідаєутвореннюнестійкоїхімічноїсполуки, інижню, якавідповідаєутвореннюевтектикиА+ AnBm.

Діаграма стану для сплавів з поліморфним та евтектоїдним перетвореннями (рис.6)

Велике практичне значення мають сплави, в яких один з компонентів або обидва зазнають поліморфного перетворення. Якщо для таких

тропічного) перетворення. У діаграмах з поліморфним перетворенням верхнячастинадіаграмихарактеризуєпервиннукристалізацію, нижня– вторинну. Вид діаграми стану залежить від того, які сполуки утворюються між алотропічними формами двох компонентів. Компоненти: А і В. Компонент має дві модифікації: Аα і Аβ. Перша існує при низький температурі, друга– привисокій. КомпонентВтежмаєдвімодифікації: низькотемпературну Вα і Вβ. Якщо низькотемпературні модифікації обмеженорозчиненіоднаіодній, ависокотемпературні– необмежено, тоді маємопоєднаннядіаграм. Завдякипервиннійкристалізаціївсісплавицієї системи утворюють однорідний β- твердий розчин, який при зниженні температури розпадається завдяки обмеженій розчинності. α – обме- женийтвердийрозчинкомпонентаВвα-модифікаціїкомпонентаА; α' – обмежений твердий розчин компонента А в α-модифікації компонента В. Лінії ас та св відповідають температурі початку розпаду β-твердого розчину(необмеженогорозчинувисокотемпературнихмодифікаційкомпонентівАіВ). Якщотемпературазнижуєтьсянижчелініїас, урівновазі перебувають кристали твердих розчинів β і α. Якщо температура стає нижчоювідположеннялініївс, урівновазіперебуваютьβ іα' фази. Склад

13

β-твердого розчину зі зниженням температури змінюється за лінією св, аα'-фазизалінієюве. Придосягненніізотермиdce твердийрозчин, склад якого відповідає точці с (βс), розпадається при постійній температурі: βс – αd + α'e. Розпад β-розчину на суміш двох фаз α і α' можна описати подібно до евтектичного перетворення, але в цьому випадку початковою фазою буде твердий розчин (не рідина, як при евтектичному перетворенні). Подібнеперетвореннянавідмінувідевтектичногоназивається евтектоїдним, а суміш кристалів (α + α') – евтектоїдом. Сплави, якірозміщенілівішеточкис, називаютьсядоевтектоїдними; сплав, який відповідаєточціс– евтектоїдним; асплави, якірозміщеніправішеточ-

ки с – заевтектоїдними.

4.2. Фізичні та механічні властивості сплавів у рівноважному стані. Правило Курнакова

Властивості сплавів значною мірою визначаються фазовим складом, який можна характеризувати діаграмою стану. Вперше за зв'язок між видом діаграми та властивостями вказав Н.С. Курнаков. На рис. 7 наведені 4 основнітипидіаграм стану й закономірності зміну властивостейсплавуіззміноюконцентрації. Цізакономірностівказуютьнате, що утвердих розчинах такі властивості як твердість, питомий електроопір,

Рис. 7. ЗакономірностіН.С. Курнакова

14

коерцитивна сила та інші завжди переважають над властивостями початковихкомпонентів.

Тобто на цьому рисунку схематично наведено чотири варіанти:

1.При утворенні сумішей (рис. 7,а) властивості сплаву змінюються залінійнимизаконами(адитивне). Властивостісплавівзнаходятьсявінтервалі між властивостями чистих компонентів.

2.Приутвореннітвердихрозчинів(рис. 7,б) властивостісплавузмінюються за криволінійними залежностями, однак, деякі властивості,

упершу чергу електроопір, можуть значно відрізнятися від властивостей компонентів. Тобто при утворенні механічної суміші електроопір підвищуєтьсянезначно, априутвореннітвердогорозчину– сильно. Тому розпад твердого розчину на дві (або більш) фази призводить до підвищенняелектропровідності.

3.Приутворенніобмеженихтвердихрозчинів(рис. 7,в) властивості

уінтерваліконцентрацій, якийвідповідаєоднофазнимтвердимрозчинам, змінюєтьсязакриволінійним, адвохфазнійобластідіаграми– запрямолінійним законом. При цьому крайні точки на прямій є властивостями чистих фаз максимально насичених твердих розчинів, які утворюють дану суміш.

4.Приутворенніхімічноїсполукинадіаграміконцентрація– властивості(рис. 7,г), концентраціяхімічноїсполукивідповідаємаксимуму(або мінімуму) накривій. Цяточкаперелому, якавідповідаєхімічнійсполуки, називається сингулярною (особливою) точкою. По діаграмі склад – властивостізнаходимостехіометричнеспіввідношеннякомпонентівданоїхімічноїсполуці, прицьомувизначається, якийконцентраціївідповідає сингулярна точка.

Вивчення властивостей в залежності від зміни концентрації (тобто побудова діаграми склад – властивості) є важливим при вивченні та побудові діаграм стану. Цей метод був покладений Н.С. Курнаковим в основу фізико-хімічного аналізу сплавів.

Методичнірекомендації. Необхідночіткопредставлятибудовуметалівісплавівутвердомустані. Уяснити, щотакетвердийрозчин, хімічнасполука, механічнасуміш. Необхіднозасвоїтизагальнуметодикупобудови діаграм стану для різних випадків взаємодії компонентів в твердому стані. При вивченні діаграм стану вміти застосовувати правили відрізків( длявизначенняскладутакількостіфази, абоструктурноїскладової в сплаві), правило фаз (для побудови кривих нагрівання і охолодження). ЗадопомогоюправилаКурніковавстановлюватизв'язокміж складом, бідовою та властивостями сплаву.

15

Питаннядлясамоперевірки. 1. Дайтевизначення: компонент, фаза, фізико-хімічна система, число ступенів свободи? 2. Що являють собою тверді розчини заміщення і проникнення? 3. Визначте методи побудови діаграмстану? 4. Наведітьрівнянняправилафазіпояснітьфізичнийсмисл числаступенівсвободи. 5. Пояснітьпринциппобудовикривихнагрівання й охолодження за допомогою правила фаз. 6. Як буде виглядати ділянка кривоїохолодження, якщочислоступенівсвободидорівнюєдвомііснує однафаза? Теж, длячисластупенівсвободи, рівногоодиниці, увипадку випаданнятвердоїфазизрідкої. Теж, длячисластупенівсвободи, рівного нулю. 7. Яким чином визначаються концентрація фаз і їх кількісне співвідношення? 8. Учомурозходженняміжевтектичноюіперитектичною кристалізаціями? 9. У чому розходження між евтектоїдним і евтектичнимперетвореннями? 10. Проаналізуйтезв'язокміжтипомдіаграми стану і властивостями сплавів за правилом Н.С. Курнакова.

Тема5. ДІАГРАМАСТАНУЗАЛІЗО-ЦЕМЕНТИТ

Діаграмастанузалізо– цементит(залізо– вуглець) даєосновніуяв- ленняпробудовузалізо-вуглецевихсплавів– сталейічавунів.

Компоненти: в системі Fe – C два компонента: Fe і C. Залізо – метал м'який і у чистому виді не застосовується, його температура плавлення становить 1539 °С. У твердому стані воно може бути в двох модифікаціях: α (ОЦК) іγ (ГЦК). Принципововажливимфакторомєто, щоα-залізо існує у двох інтервалах температур: нижче 911 °С івід 1392 до1539 °С. Пояснення цьогоявищаслідшукативзмінівеличинвільної енергії залежно від температури. При 768 °С залізо зазнає магнітне перетворення; вище 768 °С воно стає немагнітним і цю точку називають точкою Кюрі і позначають А2. Вуглець – є неметалевим елементом, густиною2,5 г/см3, температураплавленнястановитьприблизно4000 °С. Вуглецьполіморфний. Узвичайнихумовахвініснуєувиглядімодифікаційграфіту, алеможеіснуватийвиглядіместабільноїмодифікаціїалмазу. Вуглецьрозчиняєтьсяузалізіврідкомутатвердомустанах, такожможе бутиувиглядіхімічноїсполуки– цементиту, аувисоковуглецевихсплавах – у вигляді графіту.

ФазисистемиFe – C: рідина– рідкийрозчинвуглецюузалізі; існує вище лінії ліквідус, позначається літерою L; ферит – твердий розчин вуглецю у α-залізі, позначається Ф або Feα (α-Fe). Розрізняють низько- температурнийα-ферит, якийрозчиняєдо0,02 % вуглецютависокотем-

16

пературнийδ-феритзграничноюрозчинністювуглецю0,1 %; аустеніт– твердий розчин вуглецю у γ-залізі; позначається А або Feγ (або γ-Fe). Гранична розчинність вуглецю у γ-залізі 2,14 %. Аустеніт пластичний, але має більшу міцність ніж ферит; цементит – хімічна сполука заліза з вуглецем – карбід заліза Fe3C. Цементит утримує 6,67 % вуглецю. Позначається цементит хімічною формулою або літерою Ц; графіт – алотропічна модифікація вуглецю. Позначається графіт літерою Г. Кристалічнарешіткаграфіту гексагональна шарувата. Графітм'який, маєнизькуміцність, електропровідний, хімічностійкий.

Структурні складові. Перліт – це евтектоїдна суміш фериту та цементиту, позначається літерою П, його називають ще евтектоїдом. Можна дати і таке визначення: перліт це продукт евтектоїдного розпаду аустеніту. Перліт утримує 0,8 % С і є структурною складовою. Частіше будова його пластична. Ледебурит – евтектична суміш аустеніту та цементиту, позначається літерою Л. Суміш містить 4,3 % вуглецю. Це теж структурна складова. При охолодженні ледебуриту нижче 727 °С аустеніт, який входить до його складу, перетворюється в перліт і при нормальній температурі він являє суміш цементиту та перліту. Ледебуритмаєвеликутвердістьтакрихкість. Віннепіддаєтьсяобробцітиском та майже не оброблюється різанням. Діаграма стану залізо – цементит характеризує фазовийскладтаперетвореннявсплавахзконцентрацією від чистого заліза до цементиту. Особливість діаграми полягає у тому, щонаосіконцентраціїчастопозначаютьдвішкали, яківказуютьнакількістьвуглецютацементиту. Перетвореннявсплавахдіаграмистанувідбувається при кристалізації рідкої фази (L) і твердому стані. Первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур, які визначаються лінією ліквідус (ABCD) і солідус (AHJECF) (рис. 8).

Вторинна кристалізація відбувається завдяки перетворенню заліза однієї алотропічної модифікації в іншу та зміни розчинності вуглецю ваустенітітафериті. Призниженнітемпературицярозчинністьзменшується. Лінія ES характеризує зміну концентрації вуглецю в аустеніті, а лінія PQ – у фериті. Цементит має незмінний склад (вертикальна лінія DFK), змінюється тільки форма та розмір кристалів, що впливає на властивостісплавів. Найбільшікристалицементитуутворюються, коливін виділивсязрідиниприпервиннійкристалізації, такийцементитназиваєтьсяпервинним; цементит, якийвиділивсязаустеніту– вторинним; цементит, який виділився з фериту – третинним. Відповідно лінія CD на діаграмістануназиваєтьсялінієюпервинногоцементиту, ES – лінієювторинногоцементиту; PQ – лінієютретинногоцементиту.

17

18

Рис. 8. Діаграмастанузалізо-цементит

Точка А визначає температуру плавлення чистого заліза, точка D – температуру плавлення цементиту. Точки N і G відповідають температурам поліморфних перетворень заліза. Точки Н і Р характеризують граничнуконцентраціювуглецювідповідноувисокотемпературномуінизькотемпературному фериті. Точка Е визначає найбільшу концентрацію вуглецю в аустеніті. Температури основних точок діаграми наведені втаблиці:

У системі залізо – цементит відбувається три ізотермічних перетворення:

перитектичне перетворення на лінії HJB (1499 °С): LB + ФН → AJ евтектичне перетворення на лінії PSK (1147 °С): LC → AC + ЦF евтектоїдне перетворення на лінії ECF (727 °С): AS → ФР + ЦК Критичними точками сплаву називають температури при яких відбуваютьсяпевніперетворення. Кожнукритичнуточкупозначаютьвеликою літерою А з відповідним індексом: А1 – для точок, що відповідають лінії PSK, тобто евтектоїдному перетворенню; А2 – для магнітного пе- ретворенняα-залізаполініїМОпри768 °С(точкаКюрі); А3 – Дляточок лініїGS, тобтодляполіморфногоα↔γ-перетворення, щовідповідаєпочатку виділення фериту за аустеніту при охолодженні, абокінцю розчиненняферитуваустенітіпринагріванні; Аст – дляточоклініїSE, щовідповідає початку виділення вторинного цементиту з аустеніту при охо-

лодженні, абозавершенняйогорозчиненняпринагріванні.

Практично встановлено, що температури критичних точок бувають різними залежно від того, відбувається нагрівання чи охолодження (має місце термічний гістерезис). При охолодженні поруч з літерою А ставлять індекс r, а при нагріванні – індекс с, наприклад Ас1, Аr1.

19

Методичні рекомендації. Студент зобов'язаний уміти на пам'ять накреслитидіаграмустанузалізо– цементитівизначитиусіфазиіструктурніскладовіцієїсистеми, атакожбудуватизадопомогоюправилафаз кривіохолодження(чинагрівання) длябудь-якогосплаву; чіткорозбиратисявкласифікаціїзалізовуглецевихсплавівізасвоїти, щорозходження міжтрьомакласами (технічне залізо, сталь, чавун) не єформальним(по вмісту вуглецю). Різні класи сплавів принципово різні за структурою

івластивостями. Необхіднознати, щотехнічнізалізовуглецевісплавискладаються не тільки з заліза і вуглецю, але обов'язково містять постійні домішки, що попадають у сплав у результаті попередніх операцій при виплавці. Розберіть діаграму стану залізо – графіт, що по графічному накресленню майже не відрізняється від діаграми залізо – цементит, що полегшуєїїзапам'ятовування. Кількіснізмінивположеннілінійдіаграми стосуються зсуву евтектичної та евтектоїдної ліній у крапці S' і Е'. Якісна зміна полягає в заміні цементиту графітом в структурі у всіх випадках. Усвідомте вплив постійних домішок на будову чавуна і розберіться врозходженніметалевоїосновисірихчавуніврізнихкласів. Запам'ятайтемеханічнівластивостііпризначеннячавуніврізнихкласівіїхмаркірування. Звернітьувагунаспособиодержанняковкихівисокоміцнихчавунів. Повиннабутививченафізичнасутністьпроцесуграфітизації.

Питання для самоперевірки. 1. Дайте визначення: феріт, аустеніт, перліт, цементитіледебурит? 2. Проаналізуйте перетворення, яківідбуваються в сплавах при температурах А1, А2, А3, А4, Аст/, 3. Які структура

івластивостітехнічногозаліза, сталіібілогочавуна? 4. Яккласифікують заструктуроюсталіібілічавуни? 5. Уякихумовахвиділяєтьсяпервинний, вториннийітретиннийцемент? 6. Якабудоваледебуритуприкімнатній температурі, трохи вище евтектоїдної температури 727 °С и трохи нижче евтектичної температури 1147 °С? 7. У чому відмінність сірого чавуна від білого? 8. Яка будова евтектики іевтектоїда всірому і білому чавунах? 9. Класифікаціяімаркіруваннясірихчавунів. 10. Якіструктури сірих чавунів? 11. Як одержують ковкий чавун? Його будова, властивості і призначення. 12. Як одержують високоміцний чавун? Його будова, властивості і призначення. 13. У чому розходження в будові ковкого

імодифікованого чавунів? 14. Порівняйте механічні властивості сірого, ковкогоівисокоміцногочавунів.

20